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从辩证唯物主义观点谈光的波粒二象性

2010-01-19 12:23:52 来源:

高中物理课本中“光的波粒二象性”一节中作为对“光的本性”一章的概括性总结,寥寥五百多字将光的本性勾勒得淋漓尽致,不得不让人叹服做作者的物理造诣与文字功力。但要说服学生接受光既是一种波又是一种粒子无异于在说同一个人既是男人又是女人一样让人难以接受,笔者在从事物理教学过程中曾尝试在概括光的干涉、衍射及光电效应等主要内容的同时,用马克思辨证唯物主义的观点作进一步阐释,收效甚佳。下面将自己对于光的“波粒二象性”的辨证唯物主义分析的拙见罗列如下,供同行赐教。 

一、     微粒说和波动说的长期斗争

    以牛顿为代表的微粒说认为光是微粒流,从光源发生,在均匀介质中遵守力学规律作匀速运动,对于光的反射则用弹性球的反跳来解释,对光的折射则用介质的吸引来阐释,另外牛顿还对光的色散、衍射等现象也作出解释,尽管有些十分牵强,尤其是对光的衍射、色散、干涉的解释。

     惠更斯是波动说的代表。他从波阵面的观点出发,认为将光振动看作在一种特殊介质——“以太”中传播的弹性脉动,而“以太”这种介质则充满了宇宙的全部空间,这便是著名的“惠更斯原理”。在惠更斯原理中,他未提出波长的概念,因而对光的直线传播的解释十分勉强,而且无法解释偏振现象,对光的色散现象更是束手无策。

牛顿对经典力学的建立作出了空前绝后的贡献,这就很容易使人们用经典力学中机械论的观点去理解光的本性,而惠更斯的波动学说尽管对光的干涉、衍射的解释还比较完美,但其理论构架本身还很粗糙,在许多方面还不够完善,但由于牛顿在物理学界的泰斗地位因而在19世纪长达100多年的时间里,微粒说一直占有主导地位。

    值得一提的是,牛顿并未从根本上否定微粒学说,他曾多次提到光可能是一种震动并与声音相类比,他说当光投射到一个物体上时,可能会引起物体中以太粒子的震动,就好象投入水中的石块在水面激起波纹一样,并设想可能正是由于这种波引起干涉现象。但总的来看,他仍对波动说持否定态度。

二、光的波粒二象性所包含的辩证唯物主义思想:

1、光的波动说与粒子说都是唯物主义的世界观:

无论是波动说还是粒子说,他们对光现象的认识都是建立在物质第一性的原则基础上的,牛顿也罢,惠更斯也罢,在对光的本性的认识上都未提出凌驾于客观存在以外的任何事物,都承认光的客观存在性,因而都是百分之百的唯物主义。在这一点上两者终于走到一起,可谓殊途同归。

2、“光的波粒二象性”建立的过程实际上是“辩证法”和“形而上学”在方法论领域的斗争结果:

光的干涉、衍射等现象以无可辩驳的事实证明了光的波动理论的正确性,而光电效应的发现则为光的粒子说奠定了坚实的基础,但令人遗憾的是,波动说和粒子说都试图用自己的一套理论体系独立地解释光的一切行为,而人为地割裂了两种理论的联系,最终都堕入形而上学的深渊,而光的波粒二象性将两者有机地结合起来。

(1)、 爱因斯坦在普朗克量子化理论的基础上为了能更好地解释光电效应提出著名的光子说,他认为光不是连续的,而是一份一份的,每一份叫一个光子,光子的能量与其频率成正比,即E=hυ,h叫普朗克常数,υ则是光子的频率。从爱因斯坦理论不难看出,频率本身是经典物理中波所特有的概念。因此,光的粒子说实际上热情的接纳了波动学说,最起码承认“粒子说”这个“男人”身上还有少许的“女人味”。

(2)、在光的波粒二象性的启发下,法国物理学家德布罗意对于微观粒子提出了著名的德布罗意公式。即 λ=h/mv,其中  λ为运动粒子的波长,mv为运动粒子的动量,在此基础上,后人又发现了许多微观粒子具有衍射现象,并提出“物质波”的概念。

仔细观察德布罗意公式会发现, 是波的特性,而mv则是粒子的特性。换句话说,光的波粒二象性其实是波动说与粒子说的辨证统一。它从联系、发展的观点,而不是孤立、静止的观点去认识光的本性,因而是马克思辩证唯物主义的世界观和方法论,而绝对不是形而上学。

3、光的波粒二象性包含着量变与质变的辨证关系:

马克思辩证唯物主义认为,质和量在一定条件下可相互转化。第一,量变是质变的必要准备,质变是以量变为前提和基础的,没有量变就没有质变;第二,质变是量变的必然结果,只有量变达到一定程度才可能引起质变,这一变化具有规律性、必然性。

具体到光的波粒二象性,便体现在波与粒子图象的统一。

物理学家们曾做过这样的实验,在扬氏双缝干涉实验中,在屏处放上照相底片,并设法减弱光流强度,使光子只能一个个地通过狭缝,实验结果表明,如果曝光时间不太长,底片上只能出现一些无规则分布的点子,那些点子显然是光子打在底片上形成的,表现出光的粒子性;如果曝光时间足够长,底片上便出现了规则的干涉条纹。由此可见,干涉实验中包含着深刻的从量变到质变的辨证关系。在实验的第一个步骤中之所以在底片上出现的是一些无规则的点子,是因为量变未积累到足以发生质变,而一旦条件成熟,量变积累到一定程度,必然引起质变,使本来无规则的点子变成了规则的干涉条纹,发生了质的飞跃。

4、光的波粒二象性是对立统一规律的必然产物:

马克思辩证唯物主义认为,任何事物都存在矛盾,矛盾的同一性和斗争性是世界上一切事物、现象和过程内部都包含的相互关联、相互排斥的两个方面,正是这两个方面推动了事物的发展。光的波动性和粒子性便属于一对矛盾,波动说和粒子说在长期的斗争中相互包含,相互吸取有利于自身的因素(这种行为可能是无意识的,双方都不承认),共同发展,正是由于波动说和粒子说相互斗争、相互同化,才最终诞生了物理学王冠上一颗璀璨的明珠——光的波粒二象性。最典型的事例便是爱因斯坦光子能量公式和德布罗意公式,这两个公式将波动说与粒子说完美地统一起来,成为物理学大厦的一块基石。

5、光的波粒二象性是否定之否定规律结出的硕果:

纵观物理学发展史,以牛顿为代表的一批杰出的物理学家所提出的粒子说得到了光的直线传播等实验事实的有力支持,但在对光的干涉、衍射等问题上遇到了难以克服的困难,于是波动说应运而生,实现了对粒子说的第一次否定。随着新实验事实的发现,如光的色散、光的偏振现象又为波动说设置了难以逾越的障碍,双方又进入到第二次否定,即对波动说的否定,即所谓的否定之否定,既保留了各自的积极因素,又克服了各自的片面性,实现了肯定方面与否定方面的辨证统一。经过艰苦的肯定、否定、否定之否定循环往复,才最终上升到“光的波粒二象性”的理性认识上来,最后,双方不得不痛苦地接受“光既是一种粒子,又是一种波”这个近乎荒诞不经的事实。

综上所述,光的波粒二象性对光的本性的认识包含着深刻的辩证唯物主义思想。唯物主义观点、辩证法与形而上学的斗争、量变与质变的辨证关系、对立统一规律、否定之否定规律贯穿物理光学的始终,无不闪耀着智慧的光芒。驻笔于此,不得不使我对我们的物理学前辈们肃然起敬。

 作者: 西安远东一中     朱俊明

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